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Die
Erfindung betrifft ein Kollektormodul mit einer rinnenförmigen
Reflektorfläche, das die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden
Strahlenbündel der Sonne mittels einachsiger Nachführung
auf ein konzentrisch oder koaxial zur Brennlinie angeordnetes Empfängerelement
konzentriert. Ein Kollektormodul kann dabei entweder als solarthermischer
Kollektor, bei dem das Empfängerelement von einem selektiv
beschichteten Absorberrohr, das von einer Wärmeträgerflüssigkeit
durchströmt wird, oder als photovoltaischer Kollektor,
bei dem das Empfängerelement von Photovoltaikzellen gebildet
wird, oder als Hybridkollektor, der die beiden Kollektorarten miteinander
kombiniert, ausgebildet sein.
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Stand der Technik
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Ein
Parabolrinnenkraftwerk stellt eine der effektiven Möglichkeiten
dar, die elektromagnetische Energie der Sonnenstrahlung in elektrische
Energie umzuwandeln. Große, in der Regel nach Süden
ausgerichtete, parabolrinnenförmige Spiegel können
dabei mit einer einachsigen Nachführung dem im Laufe des
Tages wechselnden Höhenwinkel der Sonne folgen und konzentrieren
die in unterschiedlichen Winkeln einfallenden Strahlenbündel
auf ein selektiv beschichtetes Absorberrohr, wobei eine Wärmeträgerflüssigkeit
auf etwa 400°C erhitzt wird. Wärmetauscher wandeln
diese Energie in Dampf um, der in Turbinen Strom erzeugt. Bereits
seit Mitte der 80er Jahre produzieren beispielsweise neun solarthermische
Parabolrinnenkraftwerke in der Wüste Kaliforniens Solarstrom
mit einer Gesamtleistung von 354 MW. Diese Art der Energiegewinnung
wird zukünftig zunehmend an Bedeutung gewinnen und kann
einen erheblichen Beitrag zur Reduktion unerwünschter CO2-, SO2-, NOx-Emissionen und die Freisetzung von Staubpartikeln,
die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe anfallen, leisten.
Naturgemäß ist die Energie ausbeute eines Sonnenkollektors
von der Ekliptik der Sonne abhängig und liefert in den
Morgenstunden erst allmählich Energie, um in den Mittagsstunden
ein Maximum zu erreichen und gegen Abend wieder an Leistung zu verlieren.
Die weitgehend horizontal angeordnete Brennlinie einer Parabolrinne
kann sowohl in ostwestlicher als auch in nordsüdlicher
Richtung orientiert werden. Die liegende Anordnung der Parabolrinnen
bedingt dabei für eine optimale Wirksamkeit Standorte südlich des
40sten Breitengrads. Ein Modul eines herkömmlichen Parabolrinnenkraftwerks
ist etwa 12 m lang und weist eine etwa 6 m breite Apertur auf. Eine
Stahlkonstruktion in Form eines biegebeanspruchten Fachwerkträgers
unterstützt die von gebogenen und verspiegelten Glastafeln
gebildete Reflektorfläche und stellt über einen
Verschwenkmechanismus eine kontinuierliche Nachführung
zum Sonnenstand sicher. Solarthermische Kollektoren können
aber nicht nur im kraftwerkstechnischen Maßstab Energie
liefern, sondern z. B. auch die Energie zur raumlufttechnischen
Konditionierung eines Gebäudes bereitstellen.
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Eine
Möglichkeit zur Senkung der Gestehungskosten für
Strom aus Photovoltaikzellen besteht in der Verwendung optischer
Konzentratorelemente, die das Licht auf die Solarzellen bündeln.
Dabei kommen neben herkömmlichen, mono- oder polykristallinen
Solarzellen aus Silizium sogenannte Tandem-, Tripel- und Quinto-Solarzellen
zum Einsatz, die mittels komplexer Schichtstrukturen Wirkungsgrade über
30% erzielen. Neben einem Einsatz im Weltraum verspricht man sich
bei terrestrischen Anwendungen in Verbindung mit Konzentratorsystemen
eine wirtschaftlichere Stromerzeugung. Bekannte Konzentratorsysteme
in Form von geprägten Fresnellinsen erreichen für
eine 2 × 2 mm große Zelle eine etwa 500-fache
Konzentration der solaren Einstrahlung. Mittels eines Parabolspiegels
ist eine tausendfache Konzentration des Sonnenlichts auf die Solarzellen möglich.
Ein wesentlicher Nachteil dabei sind die hohen Temperaturen, die
eine verminderte elektrische Leistung der PV-Zellen bewirken. Deshalb
ist für einen wirtschaftlichen Betrieb eine effektive Kühlung
der PV-Zellen erforderlich.
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In
der
EP 0 025 834 werden
Sonnenkollektoren vorgestellt, bei denen die Reflektorfläche
aus einer vorgespannten Membran besteht. Im Rahmen dieser Schrift
wird zwischen Punkt- und linienförmigen Konzentratorsystemen
unterschieden.
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Aus
der
AT 505 075 A1 2008-10-15
geht ein aufblasbarer Sonnenkollektor als Membrankonstruktion hervor.
Die verspiegelte Reflektorfläche ist hier als einachsig
gekrümmte Membranfläche ausgebildet.
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Aus
der
US 005573600 A ist
ein Hybridkollektor bekannt, bei dem eine Wasserkühlung
der Solarzellen gleichzeitig zur Brauchwassererwärmung
herangezogen wird.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend
von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines einachsig der Sonne nachgeführten,
solarthermischen Kollektors oder eines photovoltaischen Kollektors
zu erhöhen und den Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks,
z. B. auf der nördlichen Hemisphäre, auch nördlich
des 40sten Breitengrades zu ermöglichen. Die mit zunehmendem
Abstand zum Äquator längere Sonnenscheindauer
und eine einfache Nachführung eines erfindungsgemäßen
Kollektors mit horizontal oder vertikal ausgerichteter Brennlinie
lassen den wirtschaftlichen Betrieb solarthermischer und photovoltaischer
Kollektoranlagen auch in gemäßigten Breiten sinnvoll
erscheinen. Die Möglichkeit, linear konzentrierende Reflektorflächen
bei einachsig nachgeführten Kollektorsystemen mit einer
definierbaren Neigung zur Sonne auszurichten, erhöht nicht
nur den Wirkungsgrad, sondern erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten für
solarthermische und photovoltaische Kollektoren. Eine zweite Aufgabe
besteht darin, für die Konstruktion eines der beiden genannten
Kollektortypen ein effizientes und wirtschaftlich herzustellendes
Tragsystem anzugeben.
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Es
ist insbesondere die Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Reflektorfläche
zu finden, die als zweiachsig gekrümmte Schale oder als
zweiachsig gekrümmte Membranfläche sich durch
eine hohe Formstabilität auszeichnet.
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Diese
Aufgaben werden mit einem Kollektormodul mit den im Hauptanspruch
genannten Merkmalen gelöst.
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Die
Brennlinie eines erfindungsgemäßen Kollektormoduls
ist entweder horizontal oder vertikal angeordnet. Kollektormodule
mit horizontaler Brennlinie können eine Nord-Süd-
oder eine Ost-West-Ausrichtung aufweisen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads
ist in beiden Fällen die Neigung einer Reflektorfläche
zur Sonneneinstrahlung entscheidend. Bei der Nord-Süd-Ausrichtung
sind alle Reflektorflächen in eine Richtung zur Sonne hin
geneigt, während bei der Ost-West-Ausrichtung die Reflektorflächen
eine alternierende Neigung aufweisen, sodass die Hälfte
der in Reihe angeordneten Reflektorflächen zur Morgensonne
geneigt ist, während die andere Hälfte zur Abendsonne
hin geneigt ist. Ein Kollektormodul mit vertikal ausgerichteter
Brennlinie wird über ein Azimutlager der Sonne nachgeführt.
Mehrere übereinander angeordnete Kollektormodule bilden in
diesem Fall eine Turmkonstruktion. Dabei ist eine Reflektorfläche
drehbar an einem eingespannten Mast gelagert. Der Mast besteht z.
B. aus einer Stahlrohrkonstruktion, die koaxial oder auch konzentrisch
zur Brennlinie angeordnet ist. So können erfindungsgemäße
Kollektoranlagen mit Masten und Türmen anderer technischer
Anlagen, z. B. Lichtmaste oder Strommaste kombiniert werden. Insbesondere
wird vorgeschlagen, mindestens den unteren, nicht vom Rotor bestrichenen
Turmabschnitt einer Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen
photovoltaischen Kollektor auszurüsten. Zweiachsig gekrümmte
Membransegel als Spiegel bündeln dabei das Sonnenlicht
auf die mit Solarzellen bestückte Mantelfläche
des Turms. Die aerodynamische Form eines koaxial zum Turm angeordneten,
reusenförmigen Schlauchs, bei dem die Formstabilität
der Membran durch ein unterstützendes Seilnetz gewährleistet
wird, erhöht ggf. die Anströmgeschwindigkeit des
Windes.
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Konstruktion
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Kollektormodule
mit horizontaler Brennlinie und einer Nord-Süd-Ausrichtung
oder einer Ost-West-Ausrichtung werden mittels eines Drehgelenks
mit horizontaler Drehachse dem tages- und jahreszeitlich wechselnden
Höhenwinkel der Sonne nachgeführt, während
Kollektormodule mit vertikaler Ausrichtung der Brennlinie über
ein Azimutlager dem Azimutwinkel der Sonne folgen. Für
den großtechnischen Einsatz der Kollektormodule als Solarkraftwerk
zur Stromerzeugung werden im Rahmen der Erfindung unterschiedliche
Tragsysteme vorgeschlagen, die geeignet sind, die Stromgestehungskosten
von derzeit 10–15 EURct/kWh drastisch zu senken. Es ist
allgemein bekannt, dass eine zweiachsig gekrümmte Fläche
bei Belastungen aus Wind und Eigengewicht wesentlich steifer ist,
als eine ebene oder einachsig gekrümmte Fläche.
Mit geringstem Materialaufwand lassen sich z. B. zug- und dehnsteife
zweiachsig gekrümmte Membranflächen herstellen.
Derartige Membranflächen bestehen entweder aus einem hochfesten
Material in Form mehrschichtig aufgebauter, kunststoffbeschichteter
Gewebe oder aus transparenten Kunststofffolien. Funktionsschichten,
wie eine Haftschicht für die Spiegelschicht aus Metall
und Siegelschichten, z. B. aus Silizium, werden dabei auf die Folie aufgedampft.
Zur Unterstützung größerer Membranflächen
kommt ein Seilnetz in Frage. Das Seilnetz kann auch als Unterkonstruktion
für eine Reflektorfläche, die von einzelnen, zweiachsig
gekrümmten, verspiegelten Scheiben aus eisenarmem Glas
gebildet wird, herangezogen werden. Durch Vorspannung einer Membran oder
eines Seilnetzes innerhalb eines druckbeanspruchten Rahmens aus
Stahl wird die nötige Formstabilität der zweiachsig
gekrümmten Reflektorfläche, die für eine
präzise Bündelung der Sonnenstrahlen auf das Empfängerelement
von entscheidender Bedeutung ist, gewährleistet. Ein Schlauch
aus transparenter Folie mit abschnittsweiser Verspiegelung kann
alternativ oder zusätzlich zur konstruktiven Vorspannung
der Folie auch pneumatisch stabilisiert werden.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Herstellung einer zweiachsig gekrümmten
Reflektorfläche ist die Ausbildung einer biegesteifen Schalenkonstruktion
aus Blechen, glasfaserverstärktem Kunststoff oder Faserbeton, die
jeweils in Matrizen aus Metall hergestellt werden. Analog zur Produktion
von Rotorblättern für Windkraftanlagen können
Reflektormodule aus zwei entlang ihrer Längsachse getrennten
Hälften aufgebaut sein und als dünnwandige Schalenkörper
mit versteifenden Längs- und Querrippen wirtschaftlich
in großen Stückzahlen hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
solarthermischer und photovoltaischer Kollektoren unter Bezugnahme
zu beiliegenden Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
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1 ein
Kollektormodul im schematischen Querschnitt
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2 mehrere,
in Reihe angeordnete Kollektormodule nach 1 als zusammenhängende
Rinne mit geknickter Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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3 mehrere,
in Reihe angeordnete Kollektormodule nach 1 als zusammenhängende
Rinne mit wellenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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4 mehrere,
in Reihe angeordnete Kollektormodule nach 1 als zusammenhängende
Rinne mit bogenförmiger Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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5 mehrere,
in Reihe angeordnete Einzelmodule nach 1 mit gerader
Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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6 mehrere,
in Reihe angeordnete Einzelmodule nach 1 mit wellenförmiger
Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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7 mehrere,
in Reihe angeordnete Einzelmodule nach 1 mit bogenförmiger
Grundlinie im schematischen Längsschnitt
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8 zwei
solarthermische Kollektormodule mit Absorberrohr, deren Reflektorfläche
aus Einzelflächen besteht, in der isometrischen Übersicht
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9 zwei
solarthermische Kollektormodule mit Absorberrohr, deren Reflektorflächen
eine zusammenhängende Fläche bilden, in der isometrischen Übersicht
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10 ein
photovoltaisches Kollektormodul im schematischen Querschnitt
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11 vier
Kollektormodule, deren zusammenhängende Reflektorflächen
zwei bogenförmige Schalenkörper bilden, in der
isometrischen Übersicht
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12 vier
Kollektormodule, deren zusammenhängende Reflektorflächen
einen wellenförmigen Schalenkörper bilden, in
der isometrischen Übersicht
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13 acht
Kollektormodule jeweils mit wechselnder Apertur, die in zwei Richtungen
zu einer zusammenhängenden Fläche addiert sind,
in der isometrischen Übersicht
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14 acht
Kollektormodule jeweils mit gleich bleibender Apertur, die in zwei
Richtungen zu einer zusammenhängenden Fläche addiert
sind, in der isometrischen Übersicht
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15 vier
vertikal übereinander angeordnete Kollektormodule mit kreisförmigem
Querschnitt als zugbeanspruchte Membrankonstruktion in einem druckbeanspruchten
Turm in der isometrischen Übersicht
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16 die
in 15 dargestellten Kollektormodule in der Aufsicht
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17 insgesamt
8 Kollektormodule, die in einem reusenförmigen Seilnetz
einen drehbar gelagerten Mast abspannen, in der isometrischen Übersicht
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18 vier
vertikal übereinander angeordnete Kollektormodule mit parabelförmigem
Querschnitt als zugbeanspruchte Membrankonstruktion in einem druckbeanspruchten
Rahmen in der isometrischen Übersicht
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1 zeigt
ein Kollektormodul 3 für einen solarthermischen
Kollektor 30 oder einen photovoltaischen Kollektor 31 im
schematischen Querschnitt. Eine Bogenschar 10 aus Parabelbogen 101 mit
unterschiedlicher Sperrung 2p definiert die Reflektorfläche 1.
Dabei sind die Parabelbogen 101 so angeordnet, dass ihre
Brennpunkte F auf einer gemeinsamen Brennlinie f und ihre Scheitelpunkte
S auf einer gemeinsamen Grundlinie 11 liegen. Im Rahmen
der Erfindung gilt diese Anordnung auch für eine Schar
von Kreisbogen, elliptischen Bogen oder hyperbolischen Bogen. Eine
Bogenschar kann vertikal geschnitten werden, sodass ein Kollektormodul 3 eine
gleich bleibende Apertur a aufweist, während eine horizontale
Schnittlinie an einer Bogenschar 10 eine kontinuierlich
wechselnde Apertur a bewirkt. Die einachsige Nachführbarkeit
zum Stand der Sonne erfolgt über eine koaxial oder konzentrisch
zur Brennlinie f angeordnete Schwenkachse x.
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2 zeigt
die lineare Reihung von vier Kollektormodulen 3 nach 1,
die jeweils an ihren Extremstellen M aneinander gefügt
sind, wobei sie eine aus einzelnen Streckenabschnitten 110 gebildete,
zusammenhängende Grundlinie 11 aufweisen. Mittels
einer koaxial zur Brennlinie f angeordneten Schwenkachse x werden
die Kollektormodule dem Höhenwinkel der Sonne nachgeführt.
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3 zeigt
eine alternative Möglichkeit der Reihung einer Bogenschar 10 nach 1 entlang
einer gemeinsamen Brennlinie f. Die jeweils an ihren Extremstellen
M zu einer kontinuierlichen Rinne verbundenen Module 3 zeigen
hier eine Grundlinie 11 als Welle 112, deren Neigung
gegenüber der Brennlinie f periodisch wechselt.
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4 zeigt
die Reihung einer Bogenschar 10 nach 1,
die eine gemeinsame Brennlinie f aufweisen und mittels einer Schwenkachse
x der Sonne nachgeführt werden mit einer Grundlinie 11 in
Form einer Bogenkette 111. Mittels einer horizontalen Schwenkachse
x werden die Kollektormodule dem Höhenwinkel der Sonne
nachgeführt. In den 2–4 erweist
sich eine Ost-West-Ausrichtung der Parabolrinne als Vorteil, da
die periodisch wechselnde Neigung der Grundlinie 11 zur
Morgen- bzw. Abendsonne den Wirkungsgrad z. B. eines Parabolrinnenkraftwerks
erhöht.
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5–7 zeigen
jeweils linear an einer gemeinsamen Brennlinie f aufgereihte Kollektormodule 3, deren
Reflektorfläche 1 dem in 1 beschriebenen
Bildungsgesetz entspricht. Die Reflektorflächen 1 sind hier
voneinander getrennt und weisen an der Grundlinie 10 jeweils
eine Neigung gegenüber der Brennlinie f auf. Die horizontale
Schwenkachse x stellt jeweils die einachsige Nachführbarkeit
der Kollektormodule 3 zum Höhenwinkel der Sonne
sicher. Bei einer Nord-Süd-Orientierung N-S der Brennlinie
f weisen die Reflektorflächen 1 jeweils eine Neigung
zur Sonne auf, sodass der Wirkungsgrad einer nord-süd-orientierten
Parabolrinne erheblich gesteigert werden kann. Das Ausführungsbeispiel
in 5 zeigt einer Grundlinie 11 als Strecke 110, während
die Grundlinie 11 in 6 als Welle 112 und
die Grundlinie 11 in 7 als Bogen 111 ausgebildet
ist. Eine Bogenschar 10 nach 1 kann wie
in den 2 und 5 dargestellt nach oben horizontal
begrenzt werden, sodass ein Kollektormodul 3 eine wechselnde
Apertur a aufweist. Begrenzt man eine Bogenschar 10 nach 1 vertikal,
erhält man eine gleich bleibende Apertur a für
ein Kollektormodul 3 und einen geschwungenen oberen Rand
der Reflektorflächen 1 wie in den 3, 4, 6 und 7 dargestellt.
Diese Anordnung der Reflektorflächen 1 eignet
sich auch für eine Turmkonstruktion mit vertikal ausgerichteter
Brennlinie f, wie in den 15-18 dargestellt.
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8 zeigt
die Anordnung von zwei Kollektormodulen 3 mit einer gemeinsamen
Brennlinie f entsprechend dem Längsschnitt in 5.
Das Tragsystem 32 der Reflektorfläche 1 ist
eine zweiachsig gekrümmte Schale 320, die aus
Metall, Glas oder glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt
werden kann. Der solarthermische Kollektor 30 besitzt ein
Empfängerelement 2 mit einem Absorberrohr 20,
das eine selektive Beschichtung 200 trägt, von
einer Wärmeträgerflüssigkeit 201 durchströmt
und von einem transparenten Hüllrohr 202 umgeben
wird. Dem Stand der Technik entsprechend ist zwischen dem Hüllrohr 202 und
dem Absorberrohr 20 ein Vakuum vorgesehen. Die einseitige
Neigung der Reflektorflächen 1 bedingt eine Nord-Süd-Ausrichtung
der Brennlinie f.
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9 zeigt
die Anordnung von zwei Kollektormodulen 3 mit einer gemeinsamen
Brennlinie f entsprechend dem Längsschnitt in 2.
Der Aufbau der Reflektorflächen 1 und des Empfängerelements 2 entspricht dem
in 8 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Eine zur Brennlinie f parallele Schwenkachse x gewährleistet
die einachsige Nachführung der in 8 und 9 beschriebenen
solarthermischen Kollektoren 30. Die als zusammenhängende
Reflektorfläche 1 ausgebildete Schale 320 ist
mit ihrer regelmäßig wechselnden Neigung für
eine Ost-West-Ausrichtung des solarthermischen Kollektors 30 vorgesehen.
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10 zeigt
den schematischen Querschnitt eines photovoltaischen Kollektors 31.
Der Aufbau der Reflektorfläche 1 entspricht einer
der in 8 und 9 dargestellten Anordnungen.
PV-Zellen 21 auf einem von einer Kühlflüssigkeit 211 durchströmten,
polygonalen Tragrohr 210 sind zum Boden der Reflektorfläche 1 ausgerichtet
und absorbieren als Tandem-, Tripel- und Quinto-Solarzellen 21 das
500- bis 1000-fach fokussierte Sonnenlicht. Die dabei entstehende
Wärme wird von der Kühlflüssigkeit 211 abgeführt.
Abhängig vom Durchmesser des Empfängerelements
können auch herkömmliche, mono- oder polykristalline
PV-Zellen 21, die über Wärmeleitflächen 212 mit
einem polygonalen Tragrohr 210 verbunden werden, zum Einsatz
kommen. In diesem Fall dienen ein oder mehrere koaxial zur Brennlinie
f angeordnete, von einer Kühlflüssigkeit durchströmte
Tragrohre 210 ebenfalls einem erhöhten Wirkungsgrad
der PV-Zellen 21.
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11–12 zeigen
jeweils vier an ihren Extremstellen M an einer gemeinsamen Brennlinie
f in Reihe angeordnete Kollektormodule 3 zur Herstellung
eines solarthermischen Kollektors 30, oder eines photovoltaischen
Kollektors 31 entsprechend den in den 8–10 dargestellten
Ausführungsbeispielen. Bei einem Parabolrinnenkraftwerk
mit ost-westlicher Ausrichtung O-W der Brennlinie f ist eine Reflektorfläche 1 jeweils
aus zwei an ihren Extremstellen M gefügten Schalen 320 aufgebaut.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen, einachsig gekrümmten
Fläche weist die zweiachsige Krümmung einer Reflektorfläche 1 eine
wesentlich höhere Steifigkeit auf und kann deshalb materialsparend
als dünnwandige Schale 320, z. B. aus glasfaserverstärktem
Kunststoff, hergestellt werden. Für die Herstellung entsprechender
Kunststoffschalen 320 aus GFK eignen sich Metallformen,
wobei eine Schale 320 eine nicht näher dargestellte
Elementierung in zwei Längshälften und versteifende
Längs- und Querrippen für den Anschluss an die
Schwenkachse x aufweisen kann. Analog zur Herstellung von Rotorblättern,
an deren Oberflächen ebenfalls höchste Anforderungen
an Präzision und Form gestellt sind, können entsprechende
neuartige Reflektorflächen für ein Parabolrinnenkraftwerk
mit Metallformen wirtschaftlich in großen Stückzahlen
hergestellt werden.
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13 zeigt
eine Anzahl von Kollektormodulen 3, die längs
und quer zu einer Fläche 12 addiert sind. Mit
einem Empfängerelement 2, das von einem Absorberrohr 20 mit
selektiver Beschichtung 202 gebildet wird, zeigt die Isometrie
einen Ausschnitt eines solarthermischen Kollektors 30.
Um Wärmeverluste zu vermeiden, wird das Absorberrohr 20 von
einem transparenten Hüllrohr 202 umschlossen.
Zwischen Hüll- und Absorberrohr ist ein Vakuum vorgesehen,
sodass die absorbierte Wärme möglichst vollständig
auf eine Wärmeträgerflüssigkeit 201 übertragen
wird. Über eine Schwenkachse x wird der solarthermische
Kollektor 30 einachsig der Sonne nachgeführt und
ist bevorzugt für eine Ost-West-Orientierung O-W geeignet.
Die Reflektorflächen 1 weisen eine periodisch
wechselnde Apertur a auf und sind als selbsttragende Schalen 320 aus
Kunststoff, Glas oder Metallblech ausgebildet.
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14 zeigt
eine Anzahl von Kollektormodulen 3, die zu drei parallel
angeordneten Rinnen gefügt sind und den Ausschnitt eines
solarthermischen 30 oder eines photovoltaischen Kollektors 31 zeigen.
Mit einer konstanten Apertur a zeigt die Oberfläche der
Kollektormodule 3 eine gewellte Struktur. Die Schwenkachse
x dient der einachsigen Nachführung eines bevorzugt ost-west-ausgerichteten
Kollektors.
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15 zeigt
den unteren Abschnitt eines Turms 14, bei dem die Brennlinie
f mehrerer übereinander angeordneter Kollektormodule 3 senkrecht
angeordnet ist. Die Reflektorfläche 1 ist auf
einen vorgespannten, konkaven Schlauch 322 aus transparenter
Folie aufgedampft und fokussiert die Sonnenstrahlen auf ein koaxial und
konzentrisch zur Brennlinie f angeordnetes Empfängerelement 2,
das im Falle eines solarthermischen Kollektors 30 von einem
Absorberrohr 20 und im Falle eines photovoltaischen Kollektors 31 von
PV-Zellen 21 gebildet wird. Der konkave Schlauch 322 wird
mittels eines umgebenden, druckbeanspruchten Tragsystems 32 vorgespannt
und ist über ein Azimutlager 34 an der Basis des
Turms um eine Drehachse y drehbar gelagert, sodass er von Sonnenaufgang
bis Sonnenuntergang dem jeweiligen Stand der Sonne folgen kann.
Die Reflektorfläche 1 wird von einer Bogenschar 10 aus
Kreisbogen 100 jeweils mit unterschiedlichem Durchmesser
gebildet. Die gemeinsamen Brennpunkte F der Kreisbogen 100 liegen
auf der Brennlinie f, die durch den halben Radius jedes Kreises
definiert ist.
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16 zeigt
die Aufsicht auf den in 15 dargestellten
Turm 14. Die Brennpunkte F der Kreisbogen 100 liegen
auf einer gemeinsamen Brennlinie f. Über das umgebende
Tragsystem 32 wird ein im Querschnitt kreisförmiger,
konkaver Schlauch 322 vorgespannt. Bei größeren
Konstruktionen wird der konkave Schlauch 322 von einem
Seilnetz 324 getragen.
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17 zeigt
einen Turm 14, bei dem insgesamt 8 vertikal übereinander
angeordnete Kollektormodule 3 einen Turm 14 bilden,
bei dem das Empfängerelement 2 von einem konzentrisch
und koaxial zur Brennlinie f angeordneten Tragrohr 210 gebildet
wird. Auf der Mantelfläche des Tragrohrs 210 sind
photovoltaische Zellen angeordnet, die über ein von einer
Kühlflüssigkeit 211 durchströmtes
Register gekühlt werden. Die Reflektorfläche 1 besteht
aus einer verspiegelten Membran 321 als teilverspiegelte,
zweiachsig gekrümmte Fläche eines reusenförmigen
Schlauchs 322 aus transparenter Kunststofffolie. Der konkav
ausgebildete Schlauch 322 entspricht in seinem Querschnitt
dem in 16 beschriebenen Ausführungsbeispiel
und wird mittels eines minimalen Tragsystems 32 aus einem
Seilnetz 324 und asymmetrischen Speichenrädern
verspannt. Das Seilnetz 324 dient auch der Abspannung des
Turms 14, welcher an seiner Basis mittels eines Azimutlagers 34 dem Stand
der Sonne nachgeführt wird. Das koaxial und konzentrisch
zur Brennlinie f angeordnete Tragrohr 210 ist dabei am
Fußpunkt in eine mehrgeschossige Trommel eingespannt. Diese
Trommel ist schwimmend in einem zylindrischen Fundamentkörper
gelagert. Als alternative Turmkonstruktion für eine Windkraftanlage
wird ein eingespanntes Stahlrohr vorgeschlagen, bei dem die schlauchförmige
Membrankonstruktion 322 mit der Reflektorfläche 1 mittels
der Speichenräder 32 drehbar an dem Turm einer
Windkraftanlage gelagert ist und auf diese Weise dem Azimutwinkel
der Sonne folgt. Neben der Möglichkeit, derartige vertikal
angeordnete Sonnenkollektoren als eigenständige Konstruktionen
auszubilden, kann die vorgeschlagene Bauweise auch mit Strom- und
Lichtmasten kombiniert werden.
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18 zeigt
einen Turm
14 als solarthermischen
30 oder als
photovoltaischen Kollektor
31 mit einem Empfängerelement
2,
das konzentrisch und koaxial zu einer vertikalen Brennlinie f angeordnet
ist. Die Reflektorfläche
1 wird von einer Bogenschar
10 in
Form von Parabelbogen
101 gebildet und nimmt den rückwärtigen Teil
eines konkaven Schlauchs
322, der von einer Membran
321 gebildet
wird, ein. Spannseile
323 unterstützen den im
Schnitt linsenförmigen, konkaven Schlauch
322 in
den Eckpunkten und trennen die rückwärtige, verspiegelte
Hälfte von der der Sonne zugewandten, transparenten Hälfte,
die als transparente Abdeckung
15 der Reflektorfläche
1 dient.
Eine parabelförmig ausgebildete Gitterschale bildet das
umgebende Tragsystem
32 zur Vorspannung des konkaven Schlauchs
322. Über
ein Azimutlager
34 mit Drehachse y folgt der Turm
14 dem
Stand der Sonne. Ein derartiger solarthermischer oder photovoltaischer
Kollektor
30,
31 kann bevorzugt auch auf Flachdächern
oder Hochhäusern angeordnet werden. Bezugszeichenübersicht Sonnenkollektor mit einer linear konzentrierenden
Reflektorfläche
| 1 | Reflektorfläche | 2 | Empfängerelement | 3 | Kollektormodul |
| 10 | Bogenschar | 20 | Absorberrohr | 30 | Solarthermischer Kollektor |
| 100 | Kreisbogen | 200 | Selektive
Beschichtung | 31 | Photovoltaischer
Kollektor |
| 101 | Parabelbogen | 201 | Wärmeträgerflüssigkeit | 32 | Tragsystem |
| 11 | Grundlinie | 202 | Hüllrohr | 320 | Schale |
| 110 | Strecke | 21 | PV-Zellen | 321 | Membran |
| 111 | Bogen | 210 | Tragrohr | 322 | Konkaver
Schlauch |
| 112 | Welle | 211 | Kühlflüssigkeit | 323 | Spannseil |
| M | Extremstelle | 212 | Wärmeleitfläche | 324 | Seilnetz |
| S | Scheitelpunkt | F | Brennpunkt | a | Apertur |
| 2p | Sperrung | f | Brennlinie | 33 | Drehgelenk |
| 12 | Fläche | | | x | Schwenkachse |
| 13 | Rinne | | | 34 | Azimutlager |
| 14 | Turm | | | y | Drehachse |
| 15 | Transparente
Abdeckung | | | O-W | Ost-West-Orientierung |
| | | | | N-S | Nord-Süd-Orientierung |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0025834 [0004]
- - AT 505075 A1 [0005]
- - US 005573600 A [0006]